Vi Sinh Vật Học Công Nghiệp Biến Văn Minh ppt

LƯỢC SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP Sự phát triển của VSVHCN được chia thành 4 giai đoạn chính: Giai đoạn 1: Giai đoạn trước Pasteur đến 1865 Con người ứng dụng tiềm năng

BIỀN VĂN MINH (CHỦ BIÊN) KIỀU HỮU ẢNH, PHẠM NGỌC LAN, ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ

MỤC LỤC Trang

Chương1: MỞ ĐẦU

1 Đối tượng của vi sinh vật học công nghiệp……… 4

2 Nội dung ……… 4

3 Lược sử phát triển của VSVHCN ……… 5

4.Vị trí và yêu cầu môn học ……… 7

5 Vai trò của VSV trong đời sống ……… 7

Câu hỏi ôn tập ……… 8

Chương2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP 1 Đặc điểm của vi sinh vật ……… 10

2 Cơ sở hóa sinh của vi sinh vật học công nghiệp ……… 13

3 Cơ sở di truyền vi sinh vật ……… 18

Câu hỏi ôn tập……… 36

Chương 3: SỰ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1 Phân loại sản phẩm theo tính chất thương mại ……… 38

2 Phân loại khác ……… 40

3 Sinh trưởng và tạo thành sản phẩm trong các quá trình công nghiệp 45 4 Các loại vaccine ……… 47

Câu hỏi ôn tập ……… 49

Chương 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT LÊN MEN 1 Quá trình lên men ……… 53

2 Các nhóm VSV công nghiệp chủ yếu ……… 56

3 Nguồn dinh dưỡng và nguyên liệu ban đầu ……… 60

4 Khử trùng 62

6 Các phương pháp nuôi 62

Câu hỏi ôn tập 66

Chương 5: SẢN XUẤT SINH KHỐI VI SINH VẬT 1 Giống ban đầu cho các quy trình lên men VSV ……… 67

2 Sản xuất men bánh mì ……… 67

3 VSV dùng cho các mục đích y học và kỹ thuật ……… 71

4 Protein đơn bào (SCP) ……… 76

Câu hỏi ôn tập ……… 80

Chương 6: CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN 1 Lên men ethanol ……… 82

2 Lên men lactic ……… 93

3.Lên men 2,3 butadiol ……… 98

4 Lên men butanol -aceton ……… 100

Câu hỏi ôn tập ……… 101

Chương 7: CÁC CHẤT TRAO ĐỔI BẬC MỘT 1 Nguyên lý của sự tổng hợp thừa ……… 103

2 Các phương pháp tạo ra thể đột biến tổng hợp thừa ……… 103

3 Amino acid ……… 105

4 Sản xuất các purine nucleotide ……… 108

5 Vitamin ……… 113

Câu hỏi ôn tập……… 114

Chương 8: CÁC CHẤT TRAO ĐỔI BẬC HAI 1 Các chất kháng sinh ……… 117

2 Các độc tố nấm ……… 122

Câu hỏi ôn tập ……… 128

Chương 9: CÁC SẢN PHẨM CHUYỂN HÓA SINH HỌC 1 Sự chuyển hóa các steroid ……… 130

2 Sự tạo thành phenyl-acetylcarbinol ……… 132

3 Sản phẩm từ vi khuẩn acetic ……… 133

4 Sản xuất vitamin C ……… 134

5 Sản xuất dextran ……… 138

6 Sản xuất arcrylamide ……… 141

Câu hỏi ôn tập ……… 142

Chương 10 : XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BIỆN PHÁP SINH HỌC 1 Vi sinh vật học của các nguồn nước uống ……… 144

2 Xử lý nước thải ……… 146

3 Lên men methane ……… 150

Câu hỏi ôn tập 155 Chương11 : SỰ TUYỂN KHOÁNG NHỜ VI SINH VẬT 1 Các vi khuẩn ngâm chiết ……… 157

2 Cơ chế tác động của vi khuẩn ……… 159

3 Một số quá trình thủy luyện kim sinh học ……… 160

4 Sự tích lũy kim loại nhờ vi khuẩn và tảo ……… 164

Câu hỏi ôn tập ……… 185

Chương 12: CÔNG NGHỆ VI SINH VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 1.Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường ……… 167

2.Một số biện pháp vi sinh góp phần bảo vệ môi trường ……… 169

3.Công nghệ vi sinh cố định đạm và phân vi sinh vật ……… 170

4.Công nghệ xử lý rác thải hữu cơ ……… 183

Câu hỏi ôn tập ……… 186

Chương 12: CÁC BÀI TẬP CƠ SỞ VÀ NÂNG CAO

1 Phần câu hỏi ……… 188

2 Trả lời một số câu hỏi ……… 196

Tài liệu tham khảo chính ……… 199

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

ADP Adenosine diphosphate

APG Acid 3-phosphoglyceric

A-1,3-DPG Acid 1,3 diphosphoglyceric

ATP Adenosine triphosphate

A-6PA Acid 6-penicillanic

NAD Nicotinamid adenine dinucleotide dạng oxi hóa

NADH Nicotinamid adenine dinucleotide dạng khử

NADP Nicotinamid adenine dinucleotide phosphat dạng oxi hóa

NADPH Nicotinamid adenine dinucleotide phosphat dạng khử

X-5-P Xylulose-5-phosphate

Chương 1: MỞ ĐẦU

I ĐỐI TƯỢNG CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP

1 Khái niệm chung

Vi sinh vật học công nghiệp (Industrial Microbiology) là một ngành của Vi sinh học,

trong đó vi sinh vật (VSV) được xem xét để sử dụng trong công nghiệp và những lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật

Vi sinh vật học công nghiệp (VSVHCN) giải quyết hai vấn đề chính trái ngược nhau: Một mặt, nó dẫn tới làm rõ hoàn toàn những tính chất sinh học và sinh hoá của những cơ thể sống là nguyên nhân cơ bản và trực tiếp của sự chuyển hoá hoá học, những chất

có ở cơ chất này hay cơ chất kia Trong trường hợp này, VSVHCN sử dụng những VSV để thu những sản phẩm quan trọng và có giá trị thực tế bằng con đường lên men Phương pháp sinh hoá để thu nhiều sản phẩm là phương pháp duy nhất có lợi về kinh tế

Mặt khác, chúng ta cũng biết sự lên men do VSV gây ra không luôn luôn diễn ra theo một hướng như mong muốn Sự phá huỷ một quá trình lên men thường xảy ra do sự hoạt động của những VSV lạ Trong trường hợp này, điều rất quan trọng là không những phải biết những VSV gây ra quá trình cần thiết mà còn phải biết cả những VSV có hại gây tổn thất cho sản xuất Nhà VSVHCN có kinh nghiệm phải khám phá ra chúng, làm rõ tính chất có hại do chúng gây ra và tìm ra những phương pháp đấu tranh với chúng

2 Đối tượng nghiên cứu

2.1 Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong vi sinh vật công nghiệp

1) Virus 2) Vi khuẩn và cổ khuẩn (Eubacteria và Archaea) 3) Vi nấm (Microfungi)

4) Vi tảo (Microalgae) 5) Nguyên sinh động vật (Protozoa) 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất một số sản phẩm bằng trên đối tượng vi sinh vật

3 Mục tiêu môn học

Sau khi học xong học phần này, sinh viên cần hiểu được các ứng dụng công nghiệp quan trọng của vi sinh vật, sự khác biệt giữa công nghệ sinh học vi sinh vật hiện đại và vi sinh vật học truyền thống, phân biệt được các nhóm sản phẩm và quá trình công nghiệp, vai trò của

vi sinh vật trong tuyển khoáng và trong xử lý nước thải bằng con đường sinh học

II NỘI DUNG

1 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật học công nghiệp

2 Cơ sở khoa học của vi sinh vật học công nghiệp

3 Phân loại sản phẩm

4 Phương pháp và kỹ thuật lên men

5 Sự thu nhận sinh khối tế bào

6 Các sản phẩm lên men

7 Các chất trao đổi bậc 1

8 Các chất trao đổi bậc 2

9 Các sản phẩm chuyển hóa

10 Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

11 Sự tuyển khoáng nhờ vi sinh vật

III LƯỢC SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP

Sự phát triển của VSVHCN được chia thành 4 giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Giai đoạn trước Pasteur (đến 1865)

Con người ứng dụng tiềm năng của VSV sản xuất các sản phẩm khi còn chưa nhận thức được sự tồn tại của chúng trong tự nhiên :

+ Sản xuất đồ uống chứa rượu như rượu, rượu vang, bia, …

Giai đoạn 2: Giai đoạn phát triển của công nghiệp lên men tính đến 1940, bao gồm các công trình của Pasteur (1865) về lên men và học thuyết về mầm bệnh, Pasteur cũng đã đề

ra phương pháp thanh trùng Pasteur để tiệt trùng rượu nho, bia mà không làm hỏng phẩm chất Phương pháp này hiện nay có ứng dụng rất lớn Bởi vậy Pasteur được coi là người sáng lập ra VSVHCN; Sự phát triển của hoá sinh học với các kiến thức về trao đổi chất trung gian,

sự làm chủ ngày càng nhiều hơn đối với các enzyme

Việc nghiên cứu và sử dụng các chủng nấm men thuần khiết Saccharomyces carlsbergensis trong sản xuất bia (Emil Christian Hansen, 1883) có thể xem là bước mở đầu cho

công nghiệp lên men dựa trên cơ sở khoa học

1 2 3

Hình 1.1: Các nhà vi sinh vật học công nghiệp tiền bối

1 Louis Pasteur (1822-1895); 2 Emil Christian Hansen (1842 - 1909);

3

Năm 1898 Eduard Buchner cũng đã nghiên cứu tác dụng lên men của nhiều nấm men, đã vạch ra mối liên hệ giữa nấm men và hoá học về men, và ứng dụng hoạt động của nấm men vào sản xuất tiếp giống ngoài Ông đã nghiền nấm men lấy ra dung dịch có men zymase và cho lên men rượu

Như vậy giai đoạn thứ hai là giai đoạn sử dụng các hoạt tính của VSV- giai đoạn này được đánh dấu bằng việc đặt cơ sở khoa học cho quá trình sản xuất đồ uống chứa rượu

Giai đoạn thứ ba: Giai đoạn công nghiệp kháng sinh, hóa chất và sinh tổng hợp điều khiển được tính 1941- 1970, bao gồm sự xuất hiện của các chất kháng sinh, những tiến bộ về

di truyền học trong việc chọn lọc các thể đột biến vi khuẩn, sự nghiên cứu các điều kiện lên men tối ưu, kỹ thuật học lên men, việc tách và tinh chế sản phẩm

Giai đoạn thứ ba được đặc trưng bởi sự phát triển của một nền công nghiệp VSV độc lập Người ta đã điều khiển được các quá trình siêu tổng hợp ở VSV và tạo ra được hàng loạt các chủng đột biến ở VSV Nhờ các thành tựu này mà người ta đã sản xuất ở quy mô lớn mì chính, lysine và nhiều loại amino acid khác

1 2 3 4

Hình 1.2: 1 Alexander Fleming(1881-1955); 2 Francis Crick (1916-2004);

3 James Dewey Watson (1928-); 4 Joshua Lederberg(1925-)

Giai đoạn thứ tư: (giai đoạn hiện nay) được đánh dấu bằng sự phát hiện ra các enzyme cắt giới hạn restrictase và các plasmid với sự gắn các gene lạ mang các thông tin tổng hợp các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gene này

1 2 3 4

Hình 1.3: 1.Daniel Nathans (1928-1999); 2.Werner Arber(1929-);

3.Hamilton Othanel Smith (1931-); 4.Herbert Boyer (1936-)

IV VỊ TRÍ VÀ YÊU CẦU MÔN HỌC

Môn VSVCN nhằm cung cấp cho người học những kiến thức và kỹ năng ứng dụng VSV trong một số quy trình công nghệ phục vụ khoa học và đời sống con người, ngoài ra còn giúp cho sinh viên phương pháp nắm bắt được một số quy trình kỹ thuật và giải thích được quá trình sản xuất trên cơ sở khoa học, tiến tới có thể chủ động hướng dẫn gíup đỡ một số cơ

sở sản xuất trong những trường hợp cần thiết, đồng thời cung cấp thêm những kiến thức sâu, rộng về VSV học ứng dụng, góp phần đẩy mạnh sản xuất, tăng thêm của cải vật chất, cải thiện đời sống cho nhân loại

V Vai trò của vi sinh vật trong đời sống

Hình 1.4 Một số ích lợi của VSV trong nông nghiệp, thực phẩm

Hình 1.5 Ứng dụng của vi sinh vật trong công nghiệp

-Đại đa số vi sinh vật là “bạn”:

+ Về nông nghiệp: cố định đạm cho cây trồng; tuần hoàn các chất dinh dưỡng trong đất; giúp gia súc tiêu hóa cỏ, rơm thành thịt…

+ Về thực phẩm: tạo các thực phẩm lên men (bia, rượu, fomage, yaourt…); kéo dài thời gian bảo quản; tạo các phụ gia thực phẩm…

+ Về công nghiệp: tạo ra các dung môi hữu cơ, các chất dinh dưỡng, vitamin, sinh khối…

+ Về y tế: sản xuất kháng sinh, giúp ổn định hệ vi khuẩn đường ruột

+ Về môi trường: phân hủy các chất thải, cải thiện môi trường bị ô nhiễm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ…

+ Về năng lượng: tạo khí methane dùng làm nhiên liệu; tạo H2 từ năng lượng ánh sáng và các nguồn năng lượng vô cơ, hữu cơ dùng làm nguồn năng lượng tái sinh của tương lai

+ Có vai trò không thể thiếu trong Công nghệ Sinh học hiện đại

- Một sô ít vi sinh vật là “thù”:

+ Gây bệnh trên người

+ Gây bệnh trên vật nuôi

+ Gây bệnh trên cây trồng

+ Gây hư hỏng các dụng cụ thiết bị…

TÓM TẮT CHƯƠNG

Vi sinh vật học công nghiệp (VSVHCN) là một bộ phận của công nghệ sinh học, trong đó vi sinh vật được xem xét để sử dụng trong công nghiệp và những lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật - công nghệ

VSVHCN có ứng dụng rộng rãi trong y dược, lương thực thực phẩm, năng lượng, hóa chất, vật liệu mới, nông lâm ngư nghiệp và bảo vệ môi sinh góp phần cải thiện đáng kể cuộc sống con người Nhiều ứng dụng to lớn hơn đang ở phía trước

* Câu hỏi ôn tập

1 Đối tượng nghiên cứu của vi sinh vật học công nghiệp là gì ?

2 Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật học công nghiệp ?

3 Giai đoạn phát triển đầu tiên của vi sinh vật học công nghiệp được đánh dấu bằng công trình của Pasteur (1878) chứng minh vi sinh vật là tác nhân của sự lên men, và sau đó là các công trình của: (1883) dùng các chủng nấm men thuần khiết

Saccharomyces carlsbergensis trong sản xuất bia, và .(1898) phát hiện ra dịch

chiết nấm men có khả năng gây ra quá trình lên men rượu ( chứng minh lên men thực chất là một quá trình enzyme)

4 Tại sao có người nói vi sinh vật vừa là người bạn thân thiết, vừa là kẻ thù nguy hiểm của con người

* Tài liệu đọc thêm

1.Kiều Hữu Ảnh, 1999.Giáo trình Vi sinh vật học công nghiệp Nxb KH&KT Hà

Nội

2 Nguyễn Quang Hào, Vương Trọng Hào, Biền Văn Minh, 1998 Vi sinh vật học công nghiệp, NXBGD

3 Nguyễn Xuân Thành, Nguyễn Bá Hiên, Hoàng Hải, Vũ Thị Hoan, 2006 Giáo trình vi sinh vật học công nghiệp, NXBGD

4.Lương Đức Phẩm, 1999 Công nghệ vi sinh vật Nxb NN

* Tài liệu tham khảo

1 Kiều Hữu Ảnh, 2006 Giáo trình Vi sinh vật học Lý thuyết và bài tập giải sẵn song ngữ Việt- Anh, phần 1& phần 2, NXB KH&KT, Hà Nội

2 Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, 1997 Vi sinh vật học NxbGD

3 Phạm Văn Ty, 2006 Công nghệ sinh học tập 5 Công nghệ vi sinh và môi trường, NXBGD

4 Prescot Harley Klein, 2002 Microbiology W C Brown publisher, USA

Plasmids (thường) là các phân tử DNA mạch đôi dạng vòng nằm ngoài DNA nhiễm

sắc thể Chúng thường hiện diện trong vi khuẩn, đôi khi cũng có ở sinh vật có nhân thật

(eukaryote) (ví dụ như vòng 2 micrometre ở Saccharomyces cerevisiae) Chúng có kích thước

khoảng từ 1 đến hơn 400 kilobase pairs (kbp) Chúng có thể hiện diện chỉ một bản sao, đối với plasmid lớn, cho tới vài trăm bản sao trong cùng một tế bào

Sinh vật nhân sơ, còn gọi là sinh vật tiền nhân (prokaryote) là nhóm sinh vật mà

tế bào không có màng nhân Đây là đặc điểm chính để phân biệt với các tế bào eukaryote Prokaryote cũng không có các bào quan và cấu trúc nội bào điển hình của tế bào eukaryote Hầu hết các chức năng của các bào quan như ty thể, lục lạp, bộ máy Golgi được tiến hành trên màng sinh chất

Sinh vật nhân chuẩn (eukaryote), còn gọi là sinh vật nhân thực, sinh vật nhân điển hình hoặc sinh vật có nhân chính thức là một sinh vật gồm các tế bào phức tạp, trong

đó vật liệu di truyền được sắp đặt trong nhân có màng bao bọc

Vi sinh vật : là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi Thuật ngữ vi sinh vật không tương đương với bất

kỳ taxon nào trong phân loại khoa học Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh v.v

Chương 2

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHỆP

I CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA VI SINH VẬT

Vi sinh vật (Microogranisms) là tên gọi chung để chỉ tất cả các loại sinh vật nhỏ bé,

chỉ có thể nhìn rõ dưới kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử

Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: Các virus (nhóm chưa có cấu tạo tế bào), các vi khuẩn và vi khuẩn lam (nhóm sinh vật nhân sơ), các vi nấm (nhóm sinh vật nhân chuẩn)

và cả một số động vật nguyên sinh cũng như tảo đơn bào cũng thuộc nhóm này

Giữa các nhóm trên không có mối liên hệ chặt chẽ về mặt hình thái hay phân loại, nhưng người ta gộp chúng lại vì chúng cùng có một số phương pháp nuôi dưỡng, nghiên cứu

và hoạt động sinh lý gần giống nhau và đều có các đặc điểm chung

1 Đặc điểm chung của các vi sinh vật

1.1 Kích thước nhỏ bé

Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1µm= 1/1000mm hay 1/1 000 000m).Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nm=1/1 000 000mm hay 1/1

000 000 000m)

Hình 2.1 Các phương pháp quan sát thế giới sống (từ nguyên tử đến tế bào)

1.2 Hấp thụ chất dinh dưỡng trực tiếp qua bề mặt tế bào, chuyển hóa nhanh

Đa số VSV là đơn bào nên chúng nhận các chất dinh dưỡng bằng hấp thụ (absorbtion) qua bề mặt tế bào, khác với thực vật là tự dưỡng (autotrophic) và động vật là nội tiêu hóa (ingestion) qua ống tiêu hóa Chính điều này mà việc nuôi các VSV được thực hiện

dễ dàng và nhanh chóng

Một vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng

đường lactose lớn hơn 100-10 000 lần so với khối lượng của chúng Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1000 lần so với đậu tương và gấp 100 000 lần so với trâu bò

1.3 Khả năng sinh sản nhanh

Thời gian thế hệ ngắn:

- 1 trực khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12-20

phút lại phân cắt một lần

- Nấm men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút

- Tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ

1.4 Khả năng thích ứng rất cao và phát sinh biến dị mạnh

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống Do đó, rất dễ dàng phát sinh biến dị Tần số biến dị thường ở mức

10-5-10-10

Khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã có thể đạt trên 100 000 đơn vị/ml

1.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều

Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật

Người ta ước tính trong số 1,5 triệu loài sinh vật có khoảng 200 000 loài vi sinh vật (100 000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90 000 loài nấm, 2500 loài vi khuẩn lam và 1500 loài vi khuẩn) Tuy nhiên hàng năm, có thêm hàng nghìn loài sinh vật mới được phát hiện, trong đó có không ít loài vi sinh vật

1.6 Sự đa dạng của các phản ứng hóa học

Các phản ứng sinh hóa trong cơ thể VSV thường đơn giản hơn nhiều so với trong cơ thẻ động, thực vật Nhưng mỗi loài có một số phản ứng riêng nên các phản ứng sinh hóa của các loài VSV khác nhau rất đa dạng Dù một hợp chất có phức tạp đến đâu, trong thiên nhiên đều có các VSV sử dụng hoặc phân hủy chúng Sản phẩm do loài này tạo ra có thể được loài khác sử dụng

Mỗi loài thường tạo ra một số chất trao đổi thứ cấp (secondary metabolites) đặc hiệu giúp cho chúng phát triển tốt hơn và kìm hãm một số loài khác Ví dụ: các loài nấm men rượu thích nghi với nồng độ đường cao và tạo ra rượu là chất hạn chế sự phát triển nhiều loài khác

Do đặc điểm này, sản phẩm khi bị nhiễm sẽ kìm hãm sự tăng trưởng của các chủng sản xuất

2 Những điểm khác biệt giữa các tế bào sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn

Bảng 2.1 So sánh các đặc điểm của tế bào eukaryote và tế bào prokaryote

Sinh vật điển hình vi khuẩn, archaea protista, nấm, thực vật, động vật

Nhiễm sắc thể

một phân tử (và thường dạng vòng)

một hoặc một vài phân tử DNA dạng thẳng được bao bọc bởi các protein histone trong cấu trúc NST

Cấu trúc nội bào rất ít cấu trúc thống màng nội bào và bộ khung tế bào được tổ chức phức tạp và riêng biệt bởi hệ Vận động tế bào tiên mao được tạo thành

từ các hạt flagellin tiên mao và tiêm mao cấu tạo từ tubulin

mỗi tế bào thường có hàng chục ty thể (phụ thuộc vào cường độ hô hấp nội bào (một số tế bào không có ty thể)

Mức độ tổ chức cơ

đơn bào, tập đoàn, và các cơ thể đa bào với các tế bào được biệt hóa rõ rệt

Phân bào Phân cắt (một hình thức

phân bào đơn giản)

Nguyên phân Giảm phân

[A] [B]

Hình 2.3 Cấu trúc tế bào vi khuẩn [A] ; tế bào nấm men [B]

Từ những đặc điểm chung của các VSV vừa nêu, trong sản xuất cần lưu ý:

-Cách tốt nhất để tránh nhiễm là tạo môi trường chọn lọc thích hợp cho đối tượng sản xuất Xu hướng chính hiện nay là sử dụng các VSV cực đoan nhằm hạn chế các vi sinh vật bình thường gây nhiễm

-Sản xuất bằng các VSV có nhiều biến động và diễn biến nhanh, cần có các biện

pháp thích hợp nhằm xử lí kịp thời

II CƠ SỞ HÓA SINH CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP

1 Đường phân

Đường phân là quá trình phân huỷ phân tử glucose (C6H12O6) tạo thành acid pyruvic

và NADH+ H+ Điểm đặc biệt của đường phân là không phải phân tử glucose tự do bị phân huỷ mà phân tử đường glucose đã được hoạt hoá bởi việc gắn gốc P vào tạo dạng đường phosphate

Quá trình đường phân gồm 2 giai đoạn với nhiều phản ứng phức tạp:

- Phân cắt phân tử glucose thành 2 phân tử triose là AlPG và PDA

- Biến đổi 2 phân tử triose thành 2 phân tử acid pyruvic

Quá trình đường phân có thể tóm tắt theo sơ đồ sau:

Hình 2.4 Sơ đồ đường phân

Kết quả của đường phân có thể tóm tắt là:

C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2H3PO4 2CH3COCOOH + 2NADH+H+ + 2ATP Trong hô hấp hiếu khí, acid pyruvic tiếp tục phân huỷ qua chu trình Krebs, còn 2NADH+H thực hiện chuỗi hô hấp để tạo H2O

2NADH+H+ + O2 2NAD+ + 2H2O Phản ứng này kèm theo việc tổng hợp được 6ATP qua quá trình phosphoryl hoá Vậy kết quả của đường phân trong hô hấp hiếu khí là:

C6H12O6 + O2 2CH3COCOOH + 2H2O Đồng thời tạo ra được 8 ATP

Trong hô hấp kỵ khí, 2NADH+H+

sẽ được dùng khử CH3COCOOH (trong lên men lactic) hay khử CH3CHO (trong lên men rượu) nên không thực hiện chuỗi hô hấp Phản ứng lên men lactic như sau:

2CH3COCOOH + 2NADH+H+ 2CH3CHOHCOOH + 2NAD+ Vậy kết quả của đường phân trong hô hấp kỵ khí là

C6H12O6 2CH3CHOHCOOH Quá trình này chỉ tạo ra được 2ATP

2 Chu trình Krebs

Chu trình Krebs được tóm tắt qua sơ đồ sau:

[1] [2]

Hình 2.5.: [1] Krebs, Sir Hans Adolf (1900-1981);

[1] Sơ đồ minh hoạ chu trình Krebs

Kết quả khi phân huỷ 1 phân tử acid pyruvic qua chu trình Krebs tạo ra 15ATP Nếu phân huỷ 2 acid pyruvic sẽ tạo ra 30ATP, kết hợp với giai đoạn đường phân thì phân huỷ 1 phân tử glucose tạo ra được 38ATP

3 Chuỗi hô hấp và phosphoryl hoá

3.1 Chuỗi hô hấp

Trong tế bào sự trao đổi năng lượng luôn gắn với phản ứng oxi hoá-khử Trong hệ thống oxi hoá khử hai phản ứng oxi hoá và khử luôn đi kèm nhau

AH2 + B A + BH2Trong tế bào để phản ứng trên xảy ra thường cần hệ thống các chất truyền điện tử và

H+ trung gian, đó là hệ enzyme oxi hoá-khử Các enzyme này cùng với cơ chất hoạt động trong một chuỗi phản ứng chặt chẽ để chuyển H2 từ cơ chất đến O2 tạo nên chuỗi hô hấp

Khởi đầu của chuỗi là cơ chất dạng khử AH2 AH2 làm nhiệm vụ là chất cho H2 H2tách ra từ cơ chất được hệ thống các coenzyme của hệ enzymee oxi hoá-khử vận chuyển đến khâu cuối cùng của chuỗi là O2 để khử O2 tạo phân tử H2O

Trong chuỗi hô hấp điện tử được chuyển từ cơ chất là chất có năng lượng cao nhất đến oxi có năng lượng thấp nhất, thế oxi hoá cao nhất (+0,81V) Giữa hai thành phần trên là các coenzyme có thể oxi hoá-khử trung gian, thế khử giảm dần từ cơ chất đến O2 Bởi vậy chuỗi hô hấp là quá trình giải phóng năng lượng

Năng lượng thải ra trong chuỗi hô hấp được xác định theo phương trình:

G‟ = -nF Eo

(kCal/mol) Trong đó:

G‟ : mức biến đổi năng lượng của phản ứng oxi hoá-khử n: số điện tử trao đổi trong phản ứng

F: số Faraday (23,06) (hằng số Faraday)

Eo: chênh lệch thế oxi hoá-khử của 2 chất tham gia phản ứng

Với phương trình trên có thể xác định được năng lượng thải ra của từng phản ứng trong chuỗi trên cơ sở thế oxi hoá-khử của các hệ đã xác định

3.2 Phosphoryl hoá

Quá trình tổng hợp ATP trong tế bào là quá trình phosphoryl hoá:

ADP + H3PO4 ATP + H2O Phản ứng này đòi hỏi năng lượng tương đương năng lượng của liên kết cao năng thứ nhất (7,3 Kcalo/mol - trong điều kiện chuẩn) Tuỳ nguồn năng lượng cung cấp mà có các hình thức phosphoryl hoá quang hóa (xảy ra trong quang hợp) và phosphoryl hóa oxi hóa (xảy ra trong hô hấp)

Trong hô hấp có hai hình thức tổng hợp ATP

-Phosphoryl hoá mức cơ chất: là quá trình tổng hợp ATP nhờ năng lượng thải ra của phản ứng oxi hoá trực tiếp cơ chất

Phosphoryl hoá qua chuỗi hô hấp: là quá trình tổng hợp ATP nhờ năng lượng thải ra của các phản ứng trong chuỗi hô hấp Chuỗi hô hấp xảy ra nhiều phản ứng, phản ứng nào thoả mãn các điều kiện của quá trình phosphoryl hoá thì quá trình tổng hợp ATP xảy ra ở đó Trong chuỗi hô hấp có 3 vị trí đủ điều kiện để tổng hợp ATP Như vậy, cứ vận chuyển được

H2 từ cơ chất đến O2 sẽ tạo ra được 3 ATP cho tế bào

4 Sự trao đổi protein, lipid, acid nucleic trong tế bào vi sinh vật

4.1 Sự trao đổi protein

Quá trình tổng hợp protein xảy ra qua nhiều giai đoạn:

- Hoạt hoá amino acids nhờ ATP và gắn amino acids vào tRNA;

- Tổng hợp chuỗi polypeptid tại ribosome;

- Hoàn thiện phân tử protein

4.1.2 Phân huỷ protein

Protein trong tế bào VSV luôn luôn được đổi mới Bởi vậy quá trình phân huỷ protein xảy ra thường xuyên cùng với quá trình tổng hợp Sự phân huỷ protein xảy ra qua 2 giai đoạn

- Thủy phân protein thành các amino acids nhờ enzyme thủy phân protease

- Các amino acids không cần thiết sẽ bị phân huỷ tiếp hay chuyển hoá thành các amino acids cần thiết khác

Sự phân huỷ amino acids xảy ra bằng nhiều con đường: khử amin, khử cacboxyl, chuyển vị amin

4.2 Trao đổi acid nucleic

đó cơ chế bản bảo thủ là phổ biến và quan trọng nhất

Trên DNA khuôn, hai chuỗi có chiều ngược nhau do vậy quá trình sao chép xảy ra trên hai chuỗi khác nhau

- Trên chuỗi có chiều 3‟-5‟ của DNA gốc: sau khi enzymee helicase tháo xoắn, tách

2 mạch của phân tử DNA gốc, trên mạch 3‟-5‟ tiến hành tổng hợp một đoạn RNA mồi ngắn nhờ primase xúc tác Từ RNA mồi các nucleotide mới tiếp tục đến kéo dài chuỗi theo chiều 5‟-3‟ nhờ DNA-polymerase III xúc tác Quá trình nối các nucleotide tự do vào mạch mới theo nguyên tắc bổ sung với mạch gốc Sau khi tổng hợp bổ sung xong cả mạch, đoạn RNA mồi bị cắt bỏ và thay vào đó bằng mạch DNA tương ứng nhờ DNA-polymerase I xúc tác

- Trên mạch có chiều 5‟-3‟ của DNA gốc: do trên mạch này chiều tổng hợp mạch mới ngược chiều tháo xoắn nên diễn ra phức tạp hơn

Quá trình tổng hợp mạch bổ sung xảy ra theo từng đoạn ngắn Cứ mở xoắn một đoạn vài trăm nucleotide quá trình tổng hợp xảy ra ngược chiều tháo xoắn theo tuần tự tổng hợp đoạn RNA mồi rồi tổng hợp tiếp đoạn DNA Tổng hợp xong đoạn này, tháo xoắn tiếp và lại tổng hợp như đoạn trước đó Cứ như vậy trên mạch này DNA được tổng hợp theo từng đoạn ngắn-đoạn Okazaki Sau đó các RNA mồi được cắt bỏ, thay vào các đoạn DNA tương ứng, nhờ ligase nối các đoạn Okazaki lại

* Phiên mã: xảy ra qua 2 giai đoạn Giai đoạn đầu phiên mã từ gene thành pro RNA Sau đó từ pro-RNA sẽ biến đổi thành mRNA tương ứng RNA tổng hợp trên DNA khuôn hay trên RNA khuôn (với virus chứa RNA)

DNA khuôn nhờ RNA polymerase tháo xoắn cục bộ tạo nên bóng phiên mã Bóng phiên mã có chiều dài 30 cặp nucleotide Nhờ yếu tố sigma ( ) của RNA-polymerase nhận biết điểm mở đầu và chuỗi DNA dùng làm khuôn Nhờ lõi enzyme polymerase tiến hành tổng hợp chuỗi RNA bổ sung với chuỗi khuôn trên DNA

Quá trình tiếp diễn cho đến khi yếu tố rho ( ) nhận biết điểm kết thúc trên DNA và kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi RNA bổ sung RNA tách khỏi DNA khuôn tạo ra pro-RNA

Từ proRNA qua nhiều biến đổi phức tạp để tạo mRNA trưởng thành

- Nối thêm mũ;

- Nối thêm đuôi;

- Nhờ enzyme cắt ghép tiến hành cắt bỏ các đoạn không mã hoá intron (I) và nối các đoạn mã hoá exon (E) lại với nhau sẽ tạo ra mRNA

Kết quả là từ 1 đoạn DNA (gene) tạo nên một phân tử mRNA Thành phần trật tự các nucleotide trên các đoạn exon của DNA qui định thành phần, trật tự các ribonucleotide trên mRNA

4.2.2 Phân huỷ acid nucleic

Trong tế bào acid nucleic luôn biến đổi, nhất là các phân tử RNA Đời sống các phân

tử mRNA, tRNA rất ngắn Chúng thường xuyên bị phân huỷ để thay thế các loại mới

Sự phân huỷ acid nucleic xảy ra qua 3 giai đoạn:

- Thủy phân acid nucleic thành nucleotide nhờ các nuclease tương ứng xúc tác;

- Thuỷ phân nucleotidee thành các đơn phân (base-nitrogene, đường pentose và

H3PO4) nhờ enzyme thuỷ phân nucleotidease xúc tác;

- Biến đổi tiếp base-nitrogene, đường pentose thành các sản phẩm khác nhau

4.3 Trao đổi lipid

4.3.1 Tổng hợp lipid

Trong tế bào lipid phổ biến nhất là chất béo Chất béo được tổng hợp từ glycerin và các acid béo qua các bứơc:

- Glycerin + ATP glycero-P + ADP

- Glycero-P + acid béo 1 monoglyceric

- Monoglyceric + acid béo 2 diglyceric

- Diglyceric + acid béo 3 Triglyceric + H3PO4 4.3.2 Phân huỷ lipid

Quá trình phân huỷ chất béo xảy ra qua 2 giai đoạn

- Thuỷ phân acid béo thành glycerin và các acid béo

- Phân huỷ tiếp glycerin và các acid béo

+ Glycerin + ATP glycero-P + ADP + Glycero-P AlGP đường phân

Các acid béo phân huỷ bằng nhiều con đường trong đó phổ biến nhất là phân huỷ theo con đường -oxi hoá Các acid béo phân huỷ theo con đường -oxi hoá tạo nên các acetyl-CoA Từ acetyl-CoA phân huỷ tiếp bằng chu trình Krebs

Sự phân huỷ acid béo tạo ra năng lượng ATP khá lớn cho tế bào VSV Ví dụ khi phân huỷ acid palmitic tạo ra được 130 ATP

III CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC CỦA VI SINH VẬT CÔNG NGHIỆP

*Khái niệm chung

Vật liệu di truyền (genetic material) để chỉ các

đại phân tử đóng vai trò lưu giữ và truyền thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào, hoặc thế hệ cơ thể Ở cấp

độ tế bào, vật liệu di truyền là các nhiễm sắc thể

H 2.6 Hình vẽ minh h oạ vị trí của các exon và intron trong một gene

(chromosome) Còn ở cấp độ phân tử thì đó là các phân tử DNA

Bộ gene hay hệ gene, genome là tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của

một cơ thể sinh vật được mã hóa trong DNA (ở một số virus có thể là RNA) Bộ gen bao gồm

những vùng chứa gene lẫn nhưng đoạn không phiên mã Thuật ngữ genome được Hans

Winkler giới thiệu lần đầu tiên

Intron là những đọan DNA bên trong một gene nhưng không tham gia vào việc mã hoá protein Những vùng còn lại của gene được gọi là exon Các intron chủ yếu có mặt trong

các tế bào eukaryote

1 Di truyền học virus

1.1 Đặc điểm và cấu tạo của virus

- Virus là các thể sống chưa có cấu tạo tế bào, ký sinh nội bào bắt buộc Mỗi kiểu virus có một phạm vi vật chủ nhất định Chúng nhận diện tế bào chủ theo nguyên tắc “ổ khóa

và chìa khóa” giữa các protein vỏ của nó với các điểm nhận trên bề mặt màng tế bào Các

virus của vi khuẩn gọi là bacteriophage (thể thực khuẩn), gọi tắt là phage

- Virus không có hệ thống sinh năng lượng, không có ribosome, không có hệ thống biến dưỡng riêng và do vậy các virus không tăng trưởng

- Virus không tạo màng lipid riêng; Virus không có khung sườn tế bào;

- Virus không bị tác động bởi các chất kháng sinh;

- Mỗi hạt virus thường gồm 1 phân tử acid nucleic ở trong, gọi là lõi, và lớp vỏ

(capsid) bao bên ngoài là các protein (tổ hợp theo các đơn vị gọi là capsomere), có mang các thành phần kháng nguyên Kết cấu cơ bản đó gọi là nucleocapsid

Hệ gene của virus rất đặc biệt (bảng 2.3), mỗi loại virus chỉ chứa một loại acid nucleic, hoặc là DNA hoặc là RNA, chuỗi đơn hay chuỗi kép, dạng sợi thẳng hay dạng vòng Virus bé nhất khoảng 4 gene và lớn nhất khoảng vài trăm gene

Một số virus ngoài vỏ protein còn có thêm vài lớp màng bao khác gồm (protein + phospholipid) bắt nguồn từ màng sinh chất tế bào chủ, hoặc cả (protein + glycoprotein) từ virus HIV, virus SARS, H5N1 là một ví dụ

Hình 2.7 Virus trần và virus có màng bao Bảng 2.2 Phân biệt quá trình truyền bệnh AIDS, SARS, CÚM GÀ

Hình 2.8 Virus và đường truyền bệnh AIDS, SARS, CÚM GÀ

(HIVgây hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải (HCSGMDMP);

Virus SARS gây hội chứng viêm đường hô hấp cấp (VĐHHC); H5N1 gây bệnh cúm gà)

Bảng 2.3 Dạng acid nucleic và kích thước hệ gene một số virus

Virus Vật chủ Dạng acid nucleic Kích thước hệ gene ( số cặp base)

Phage MS2, f2, R17 E coli RNA sợi đơn-thẳng 3.569

Adenovirus Ad5 Người DNA sợi kép-thẳng ~ 36.000

Ghi chú: Các virus gây bệnh ở người và động vật có hệ gene chủ yếu là DNA sợi kép-thẳng, như: các

virus thuộc họ Adenoviridae gây bệnh đường hô hấp, họ Herpesviridae gây mụn rộp herpes ở người, bệnh đậu gà,

họ Poxviridae gây đậu mùa, đậu bò Hoặc là RNA sợi đơn-thẳng, như các virus thuộc họ Retroviridae gây ung thư, AIDS, bạch cầu ., họ Paramyxoviridae gây sởi, quai bị, bệnh gà toi, họ Rhabdoviridae với bệnh dại, họ

Orthomyxoviridae với bệnh cúm, họ Picornaviridae với các bệnh viêm tủy xám, viêm gan A do virus, bệnh lở mồm

long móng ở trâu bò

1.2 Phương thức sinh sản và vòng đời của virus

Ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu những nét chung nhất trong chu trình sống-sinh sản của

virus qua đại diện là các phage ký sinh ở E coli Thông thường được chia làm 5 giai đoạn:

Hấp thụ → Xâm nhập → Sao chép → Thành thục → Phóng thích, hoặc 3 giai đoạn như sau:

(1) Phage bám bằng phần đuôi trên bề mặt tế bào vi khuẩn và tiết enzyme tiêu hủy vách tế bào;

(2) Phage dùng phần đuôi để tiêm lõi acid nucleic (DNA) vào trong tế bào chủ; (3) Trong tế bào chủ, tùy loại DNA các phage khác nhau mà có thể diễn ra một trong hai trạng thái: gây tan hoặc tiềm tan

Hình 2.9 Chu trình hoạt động gây tan (lytic cycle) và tiềm tan (lysogenic cycle) của phage ở E coli

+ Đối với các phage độc như T2 và T4, lúc này DNA của chúng sẽ sao chép nhiều lần và tổng hợp đủ các protein cần cho tạo vỏ và đuôi, để sau đó chúng lắp ráp với nhau tạo ra các phage thế hệ con Sau đó, dưới tác dụng của lysozyme làm tan tế bào chủ và phóng thích chừng 100-200 phage con

+ Đối với virus thuộc nhóm retrovirus (virus gây ung thư, gây bệnh AIDS, gây bệnh bạch cầu tế bào T ) có chu trình sống điển hình (hình 2.11)

Hình 2.10 Chu trình sống của virus nhóm retrovirus

Ở đây cần để ý hai điểm quan trọng liên quan công nghệ gene:

+ Tái tổ hợp:

Khi có nhiều virus nhiễm đồng thời tế bào chủ thì giữa chúng xảy ra sự trao đổi gene, tạo ra các thể tái tổ hợp Nhờ vậy có thể lập bản đồ di truyền ở virus Dạng tái tổ hợp điểm đặc hiệu để gắn DNA phage vào nhiễm sắc thể vi khuẩn chủ và tách ra ( khi bị cảm ứng

tia UV) được xúc tác bởi cặp enzyme tương ứng là integrase và excisionase Lợi dụng đặc

điểm này, người ta sử dụng phage làm vector trong kỹ thuật gene

+ Sao chép:

Do vật liệu di truyền của các virus rất đa dạng, nên sự sao chép/sao chép của chúng cũng khác nhau, theo 3 con đường:

DNA → DNA; RNA→ RNA; và RNA → cDNA kép → RNA

Trong đó, các retrovirus có hệ gene RNA gây ung thư, bệnh AIDS (HIV), bệnh bạch

cầu tế bào T (HTLV-I) đều có chứa enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase) để tổng

hợp cDNA sợi đơn trên khuôn RNA của nó, rồi sau đó là cDNA sợi kép để có thể xen vào nhiễm sắc thể vật chủ ở trạng thái provirus ổn định Lợi dụng enzyme này để tổng hợp và tạo dòng cDNA

Vi khuẩn là một nhóm lớn của Prokaryote, có cấu trúc tế bào nhưng chưa có nhân điển hình Bộ máy di truyền của vi khuẩn phức tạp hơn virus nhiều, thường gồm 1 phân tử

DNA sợi kép-vòng kích thước lớn (ví dụ ở E coli là 4,6 x106

cặp base) Trong dịch bào có rất nhiều phân tử DNA trần sợi kép, dạng vòng, kích thước bé bằng khoảng 0,05-10% kích thước

nhiễm sắc thể vi khuẩn và có khả năng sao chép độc lập, gọi là các plasmid

Ở E coli có nhiều loại plasmid với tính chất và số bản sao có mặt khác nhau trong

tế bào, ở đây đề cập 2 loại:

- Các plasmid kháng thuốc, gọi là plasmid R (R-resistance), thường có mang nhiều

gene mã hóa các enzyme có khả năng phân hủy chất kháng sinh tương ứng có mặt trong môi trường Ví dụ, plasmid pBR322 (4362 cặp base) có 2 gene kháng ampicilline (AmpR

) và tetracyline (TetR)

Loại plasmid này thuộc loại sao chép mạnh, có thể tạo ra khoảng 50 bản sao (copies) trong một tế bào Đó là những đặc điểm chính mà người ta lợi dụng nó làm công cụ đắc lực (vector) trong kỹ thuật di truyền

- Các plasmid giới tính, tức plasmid F (F-fertility) có chứa các gene truyền và bắt buộc tham gia vào quá trình tiếp hợp ở E coli Các tế bào vi khuẩn có mang plasmid F, ký

hiệu F+

và tế bào không có F, ký hiệu F- Nhân tố F có kích thước lớn (khoảng 100.000 cặp nucleotide), được sao chép chỉ 1 lần trong chu kỳ tế bào (nhờ xen vào trong nhiễm sắc thể vi khuẩn) và phân ly về cả 2 tế bào con Cho nên trong 1 tế bào F+

điển hình thường có 1-2 bản sao của plasmid F

- Gần đây người ta còn phát hiện các plasmid mới như: Col-plasmid, chứa gene mã hóa cho sự tổng hợp colchicine, một protein có thể giết chết các vi khuẩn khác; Plasmid phân hủy, giúp phân hủy các chất lạ như toluene hay salicylic acid; Plasmid mang độc tính, làm cho

sinh vật trở thành sinh vật gây bệnh

Một plasmid có thể thuộc một hoặc nhiều nhóm chức năng kể trên

2.2 Ba phương thức trao đổi vật liệu di truyền ở vi khuẩn

Lần đầu tiên, năm 1946 Lederberg và Tatum phát hiện ra sự tái tổ hợp ở vi khuẩn Cho đến nay, ta biết rằng ở vi khuẩn có các quá trình sinh sản tương đương sinh sản hữu tính,

gọi là cận hữu tính (parasexuality), đó là: tiếp hợp, biến nạp và tải nạp Các quá trình này có

các đặc điểm sau:

(1) Truyền thông tin 1 chiều từ tế bào cho (donor) sang tế bào nhận (recipient); (2) Tạo ra hợp tử từng phần (merozygote), vì thể cho chỉ truyền sang thể nhận một phần bộ gene của nó;

(3) Vì bộ gene chỉ là một phân tử DNA trần nên chỉ có một nhóm liên kết và tái tổ hợp về thực chất là lai phân tử

Những hiểu biết sâu sắc về các quá trình sinh sản cận hữu tính ở vi khuẩn đã góp phần quan trọng trong sự phát triển của di truyền học phân tử cũng như của kỹ thuật gene sau này

a) Tiếp hợp (Conjugation)

Tiếp hợp là sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai tế bào vi khuẩn, trong đó diễn ra sự truyền

đi một phần vật liệu di truyền từ thể cho sang thể nhận

Ở đây, nhân tố F được truyền từ tế bào F+

sang F- trong quá trình tiếp hợp, nhờ kiểu

sao chép “vòng lăn” (rolling circle) hay còn gọi là sao chép sigma ( ) Kết quả của sự tiếp

sắc thể E coli và cho thấy nó có dạng vòng

b) Biến nạp ( Transformation)

Biến nạp là quá trình chuyển DNA trực tiếp tách ra từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận

DNA này nằm tự do trong môi trường (dung dịch) do một vi khuẩn (thể cho) phóng

ra Tế bào thể cho và thể nhận có thể được bắt nguồn từ những sinh vật khác nhau như: thực vật, động vật và vi sinh vật

Khác với tiếp hợp và tải nạp, biến nạp không cần sự tiếp xúc trực tiếp giữa 2 tế bào cũng như không cần vật trung gian như các phage

Các tế bào ở trạng thái có thể được biến nạp được gọi là khả nạp (competent) Như

vậy, qua biến nạp, một nòi vi khuẩn bị biến đổi về mặt di truyền do tiếp thu acid nucleic của một nòi khác

Hiện tượng biến nạp được Frederick Griffith phát hiện lần đầu tiên năm 1928 và về sau được Oswald T Avery, Colin MacLeod và Maclyn McCarty cùng phát hiện lại năm 1944

Đặc trưng của biến nạp là ở chỗ DNA thể cho phải ở dạng xoắn kép Hiệu quả của

nó phụ thuộc vào khả năng dung nạp của tế bào nhận, kích thước đoạn DNA và nồng độ DNA Tế bào có khả năng tiếp nhận đoạn DNA ngoại lai đó gọi là tế bào khả biến, và có thể xảy ra lưỡng bội hóa ở một phần bộ gene (hợp tử từng phần) Sự gắn kết đoạn DNA ngoại lai vào DNA tế bào nhận được thực hiện nhờ cơ chế tái tổ hợp tương đồng

Vì sau khi chui qua màng tế bào nhận, một sợi của đoạn DNA ngoại lai bị phân hủy, cho nên nếu như đoạn sợi đơn còn lại không được gắn vào thì sẽ bị phân hủy luôn

Nói chung, tần số xuất hiện các tế bào khả biến là rất thấp (ngay cả ở các loài vi khuẩn có khả năng biến nạp) và tần số biến nạp (đối với các tế bào khả biến) cũng chỉ khoảng

10-3 Vì vậy, biến nạp chỉ được dùng làm kỹ thuật lập bản đồ gene cho 1 số loài Tuy nhiên, ngày nay biến nạp được ứng dụng rất rộng rãi như là một khâu cơ bản trong kỹ thuật di

truyền: cấy-chuyển gene, tiêm lắp-ghép gene, ở E coli, nấm men bia, thực vật, động vật và

cả ở người

-Cơ chế biến nạp tự nhiên:

+ Tiếp xúc tế bào nhận

+ Xâm nhập vào bên trong

+ Liên kết với DNA của tế bào khả nạp (dạng plasmid hay dạng episom)

+ Tế bào khả nạp nhân lên  DNA biến nạp được nhân lên

1 2 3 4

Hình 2.12 1 Frederick Griffith (1881-1941); 2 Oswald T Avery (1877-1955);

3 Colin MacLeod (1909-1972); 4 Maclyn McCarty (1911-)

-Biến nạp nhân tạo

Sau khi tạo DNA tái tổ hợp, việc tiếp theo là đưa nó vào lại tế bào chưa mang plasmid Biến nạp nhân tạo được thực hiện với nhiều cách khác nhau

+ Dung hợp tế bào trần (protoplast fusion): Dung hợp 2 tế bào đã loại bỏ thành tế bào

+ Hóa biến nạp: Xử lí CaCl2 lạnh, kèm sốc nhiệt (420

C trong 2 phút) + Điện biến nạp: có thể đến 109

- 1010 thể biến nạp/1µgDNA Đoạn biến nạp có kích thước 25-135kb (hình 2.14.a)

+ Vi tiêm: Tiêm thẳng DNA tái tổ hợp vào tế bào (hình 2.14.b)

+ Bắn DNA vào tế bào bằng súng bắn DNA (hình 2.14.c)

Ngoài ra còn nhiều phương pháp khác đưa DNA tái tổ hợp vào tế bào như dùng màng lipid (liposome) bao DNA để đưa vào tế bào

Hình 2.13 Một số thiết bị chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào

a.Máy điện biến nạp(Electroporation);

b Vi tiêm(Microinjection); c Súng bắn DNA (Biolistis apparatus)

Ngoài ra còn nhiều phương pháp khác đưa DNA tái tổ hợp vào tế bào như dùng màng lipid (liposome) bao DNA để đưa vào tế bào hay phương thức “dội bom”

trong một cặp; C Các protoplast có thể dung hợp trong thể 3 (bên phải ảnh) hoặc nhiều hơn có khi tới 6 protoplast

Hình 2.15 Thao tác chuyển gen bằng phương thức “dội bom”

c) Tải nạp (Transduction)

Tải nạp là quá trình trong đó DNA của vi khuẩn được chuyển từ một vi khuẩn này sang vi khuẩn khác nhờ virus của vi khuẩn (thực khuẩn thể, bacteriophage, thường gọi là phage) Khi thực khuẩn thể xâm nhiễm tế bào vi khuẩn, cơ chế sinh sản bình thường của nó là lợi dụng bộ máy sao chép DNA của vi khuẩn chủ để tạo ra nhiều bản sao DNA hay RNA của chính nó Những bản sao DNA hay RNA của thực khuẩn thể này sau đó được "đóng gói" vào

vỏ virus cũng mới được tổng hợp nhờ tế bào chủ

Tuy nhiên, quá trình đóng gói DNA của thực khuẩn thể không phải lúc nào cũng hoàn hảo và ở một tần suất thấp, một số mảnh DNA của vi khuẩn chủ cũng bị đóng gói vào

vỏ thực khuẩn thể thay vì bộ gene của nó Những RNA virus không có khả năng đóng gói DNA nên thường không tạo ra nhầm lẫn trên

Khi ly giải tế bào, những virion bị đóng gói nhầm chứa DNA vi khuẩn có thể gắn vào một vi khuẩn khác và bơm phần DNA được đóng gói vào tế bào, và như vậy vô tình đã chuyển DNA vi khuẩn từ tế bào này sang tế bào khác Phân tử DNA này có thể trở thành một phần của DNA nhiễm sắc thể trong tế bào mới, và từ đó được di truyền lại một cách ổn định

Có 2 kiểu tải nạp: tải nạp chung và tải nạp đặc hiệu

* Tải nạp chung là trường hợp phage truyền bất kỳ gene nào của vi khuẩn cho sang

vi khuẩn nhận ở E coli, phage P1 là phage tải nạp chung đã được nghiên cứu kỹ Trong khi nhiễm vào vi khuẩn, phage P1 sản ra nuclease cắt DNA vi khuẩn chủ thành từng đoạn một cách ngẫu nhiên Về sau, trong quá trình lắp ráp vỏ protein với DNA phage, có khoảng 10-3

-

10-2 hạt phage con mang đoạn DNA vật chủ Khi các phage tải nạp này xâm nhập vi khuẩn khác, sẽ xảy ra sự tái tổ hợp tương đồng với NST vật chủ mới Đoạn gene tải nạp thường chứa khoảng 50 gene và tải nạp có thể được dùng để lập bản đồ gene

* Tải nạp đặc hiệu là trường hợp phage chỉ truyền đi những gene nhất định từ vi

khuẩn cho sang vi khuẩn nhận Kiểu tải nạp này có một số đặc điểm sau:

Được thực hiện bởi prophage lambda ( );

Những gene được chuyển nằm sát chỗ prophage xen vào;

Do kết quả của sự cắt sai của phage khi tách khỏi NST vật chủ;

Các vi khuẩn tái tổ hợp có thể lưỡng bội một phần Tuy nhiên, do sự cắt sai của

phage lambda rất hiếm nên tải nạp đặc hiệu có tần số thấp

3 Di truyền học vi nấm

Hiện nay, S cerevisiae và Schizosaccharomyses pombe đang được nghiên cứu rộng

rãi ở mức phân tử Chúng có chu trình sống đơn giản có liên quan tới tất cả pha đơn bội (n) và pha lưỡng bội (2n) Đối với các tế bào (2n) diễn ra những phân chia giảm nhiễm thông thường

để tạo ra các bào tử (n) Toàn bộ 4 sản phẩm của giảm phân được bọc bên trong một cái nang dày có chia ô Điều đó cho phép kiểm tra các đoạn NST trao đổi chéo thuận nghịch riêng biệt

Các tế bào nấm men S cerevisiae phân chia bằng quá trình nảy chồi làm tách các

tế bào cha mẹ ra khỏi các tế bào con (chồi) của chúng Ngược lại, S pombe là nấm men phân

đôi (fission), các tế bào cha mẹ sinh trưởng và sau đó ngắt đôi tạo ra 2 tế bào giống nhau về hình thái

Trung bình hệ gene đơn bội của nấm men S cerevisiae có chứa khoảng 14 x 106

cặp

base, nghĩa là có hàm lượng DNA lớn hơn E coli khoảng 3,5 lần, trong khi ruồi giấm Drosophila lớn gấp 25 lần và các tế bào thực vật bậc cao chứa nhiều gấp ít nhất là 1.000 lần

Như vậy, dùng nấm men trong nghiên cứu di truyền nhân chuẩn quả là đơn giản và rẻ hơn Ở

S cerevisiae DNA được phân phối trong 16 NST với khoảng 5 - 6 ngàn gene, trong khi S pombe chỉ có 3 NST khác nhau Tính đến 1996, đã có 6000 gene của S.cerevisiae được lập

bản đồ

Điều đáng nói là nhiều tế bào nấm men cũng có các bản sao phức của các plasmid nội sinh dạng vòng 2 m (6300 cặp base) có khả năng sao chép độc lập, thường có

DNA-50 - 200 bản sao trên một tế bào Bình thường chúng không mang một gene thiết yếu nào Đây là loại vector quan trọng trong kỹ thuật di truyền

Trong số rất nhiều loài nấm men đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản

xuất bia, rượu, nước giải khát, tạo sinh khối , loài S cerevisiae hiện đang được dùng như

một công cụ đắc lực để mang các DNA tái tổ hợp có các gene quan trọng của động vật và người, nhằm sản xuất các protein có hoạt tính sinh học, như: các interferon, insulin, hormon sinh trưởng, hirudin, các kháng nguyên virus v.v dùng trong chăn nuôi, phòng và chữa bệnh

4 Các sinh vật mang gene tái tổ hợp

4.1 Các vi sinh vật tái tổ hợp

Hiện nay người ta dần thay thế vi khuẩn E coli mang gene tái tổ hợp bằng các VSV khác như nấm men thuộc chi Saccharomyces, xạ khuẩn- Streptomyces

4.2 Các thực vật tái tổ hợp

Tham gia vào hầu hết các thao tác của kỹ thuật di truyền ở thực vật có một loài vi

khuẩn hấp dẫn, đó là Agrobacterium tumefacien Vi khuẩn này là một tác nhân gây bệnh tự

nhiên ở thực vật, nó xâm nhập vào rễ và tạo nên một khối u được gọi là bệnh mụn tán

Agrobacterium tumefacien chứa một plasmid lớn (Ti), nó được gắn vào gene nom

của các tế bào rễ bị nhiễm khuẩn và làm biến đổi các tế bào này Ngay cả khi các vi khuẩn đã

bị chết ở trong khối u thì khối u vẫn tiếp tục phát triển Plasmid này là một vector hoàn hảo để đưa các gene lạ vào gene nom thực vật Trong đa số trường hợp, Plasmit Ti được lấy ra, ghép

vào một gene đã được lựa chọn rồi lại đưa trở lại vào Agrobacterium

Hình 2.16 Khối u thực vật chứa vi khuẩn A tumefacien chứa Ti plasmid

4.3 Các động vật tái tổ hợp

Không chỉ virus, vi khuẩn, nấm và thực vật mà cả động vật cũng có thể được thiết

kế về mặt di truyền Trong một số điều kiện động vật cũng có thể biểu hiện các gene được gắn

nhân tạo bởi chuyển nhiễm Các động vật đầu tiên được chuyển gene là những con ruồi giấm

mà những khuyết hụt về màu mắt của chúng đã được sửa chữa nhờ việc đưa các gene bình thường vào trứng khiếm khuyết

Chuột là những động vật đặc biệt dễ bảo trong việc chấp nhận gene theo cách này Phôi của chuột đã thụ tinh được cấy các gene quy định các hocmon sinh trưởng của người đã sinh ra các con chuột khổng lồ lớn gấp hai so với chuột bình thường

Trong một thí nghiệm khác, các hợp tử của chuột do mang một khiếm khuyết di truyền thường làm cho chúng bị bệnh run, đã được sửa chữa nhờ chứa gene bình thường mới được đưa vào

Ngành chăn nuôi đã nhanh chóng tiếp thu một số trong số kỹ thuật này Năm 1987, phôi lơn đã được cấy bằng gene hormon sinh trưởng của bò trong một thí nghiệm nhằm tăng tốc độ sinh trưởng của lợn và cắt giảm lượng mỡ tạo thành trong khẩu phần thịt Những con lợn đầu tiên đã có ít mỡ hơn, song thật không may, chúng cũng có những vấn đề về sức khoẻ nghiêm trọng: viêm khớp, bệnh tim và bệnh thận

Khuynh hướng gần đây nhất trong các thí nghiệm chuyển gene là thiết kế trứng đã thụ tinh của các động vật nuôi như lợn, cừu với các gene của người Các động vật tái tổ hợp này sẽ được dùng làm các hệ thống sống để sản sinh ra một lượng lớn các protein có giá trị

của người như hemoglobin, yếu tố đông máu và hormon

5 Công nghệ DNA tái tổ hợp

Như đã biết, hai sự kiện nổi bật nhất trong giai đoạn đầu của Sinh học phân tử là sự khám phá ra cấu trúc phân tử DNA năm 1953 bởi James Watson và Francis Crick (nhận giải Nobel-1962) và sự giải mã thành công hệ thống mật mã di truyền năm1966 bởi Marsall Nirenberg và Har Gobind Khorana nhận giải Nobel-1968 cùng với nhiều nhà khoa học khác

Giai đoạn tiếp theo của đỉnh cao phát triển sinh học phân tử là sự ra đời của Công nghệ DNA tái tổ hợp (recombinant DNA technology), vào giữa thập niên 1970, với các tên gọi khác như: công nghệ gen, kỹ thuật di truyền (genetic engineering)

Công nghệ DNA tái tổ hợp bắt đầu như một khoa học từ 7/1972 khi nhóm nghiên cứu của Paul Berg (Viện hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ) hoàn thành việc chế tạo bộ gen lai giữa virus SV40 của khỉ với phage lambda

Lần đầu tiên kết nối hai virus khác nhau hoàn toàn về mặt di truyền thành một chỉnh thể và được nhân lên dưới dạng plasmid trong tế bào vi khuẩn Phân tử DNA lai chứa các thông tin di truyền của virus SV40, thông tin điều khiển quá trình tự sao của DNA phage

lambda cũng như toàn bộ chức năng của operon galactosidase của vi khuẩn E coli

1 2 3 4

Hình 2.17 1 Har Gobind Khorana (1922-); 2 Temin, Howard Martin (1934-1994);

3 Daniel Nathans (1928-1999); 4 Paul Berg (1926-)

5.1 Khái niệm công nghệ DNA tái tổ hợp

Đó là công nghệ bao gồm một tập hợp các kỹ thuật như phân cắt và lai ghép các phân tử nucleic acid nhờ các enzyme giới hạn, ligase nhân dòng DNA trong các plasmid hoặc virus được tăng cường ở vi khuẩn hoặc tế bào nấm men; xác định trình tự nucleotide DNA ở đoạn được nhân dòng; biểu hiện của gen được nhân dòng dưới dạng sản phẩm protein

Sự ra đời của công nghệ DNA tái tổ hợp và gần đây là công nghệ chíp DNA, sinh tin học, nuôi cấy tế bào gốc, công nghệ nano gắn liền với các sự kiện khoa học sau:

Năm 1965, Xác lập được các gen kháng thuốc ở vi khuẩn nằm trong các plasmid Năm1967, SB Zimmerman và cộng sự tách chiết thành công DNA-ligase

Năm1970, Hamilton Smith và các cộng sự đã phân lập được enzyme giới hạn đầu

tiên từ vi khuẩn Haemophylus influenzae được gọi là Hind II

Năm1970, Har Gobind Khorana tổng hợp được một gen nhân tạo đầu tiên , đến 1973 một gen nhân tạo khác có thể hoạt động bình thường trong tế bào sống, đó là gene mã hóa tRNAtyr vận chuyển cuả tyrosin ở E coli có chiều dài khoảng 200 cặp nucleotide

Năm1971, Temin, Howard Martin, phát hiện ra enzyme phiên mã ngược

(reversetranscriptase) mở ra sự tổng hợp gene nhân tạo

Năm 1972, Paul Berg kiến tạo được phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên trong ống nghiệm

Năm 1973, H Boyer, S Cohen, A Chang và R Helling - lần đầu sử dụng plasmid

để tạo dòng DNA ở E coli

Năm 1977, Đề xuất các phương pháp hóa học (Maxam và Gilbert) và phương pháp enzyme học (Frederick Sanger và cộng sự) xác định trình tự nucleotide của nucleic acid

Năm 1977, Thành lập hãng công nghệ gen đầu tiên ở Mỹ (Genetech) để sản xuất các chế phẩm y học bằng phương pháp DNA tái tổ hợp

Năm 1978, Giải thưởng Nobel đầu tiên trong lĩnh vực khám phá và sử dụng enzyme giới hạn được trao cho Daniel Nathans; Werner Arber; Hamilton Othanel Smith

Năm 1981, Stanley B Prusiner(1942- ) phát hiện ra các đặc trưng của Prion

Năm 1982, phát triển vaccin tái tổ hợp chống viêm gan B

Những năm 1982-1983, Thomas R Cech và Sidney Altman phát minh ra RNA xúc tác

Những năm 1983-1984, Robert Gallo và Luc Montagnier phân lập và định loại virus gây suy giảm miễn dịch ở người

1 2 3 Hình 2.18 1.Luc Montagnier ;2 Robert Montagnier ; 3 Stanley B Prusiner(1942- );

Năm 1983, Giải thưởng Nobel được trao cho bà Barbara McClintock phát hiện ra yếu tố di truyền vận động hay gen nhảy

Năm 1986, Binnig, Gerd Karl (Nhà khoa học Đức, giải Nobel 1986) khám phá ra loại kính hiển vi hoạt động không theo nguyên tắc quang học, mở đầu cho công nghệ nano

Năm 1990, bắt đầu thử nghiệm lần đầu tiên liệu pháp gen (gene-therapy) trên người Năm 1992, thử nghiệm đầu tiên trên người liệu pháp đối nghĩa (antisense therapy)

Năm 1995, Venter, Smith giải trình tự hệ gen của vi khuẩn Haemophilus influenzae Tháng 4 năm 1996, men nở bột mỳ S.cerevisiae đã giải mã xong gồm 6.000 gene Năm 1997, phát hiện ra loại vi khuẩn lớn nhất Thiomargarita namibiensis; Giải trình tự hệ gen vi khuẩn Escherichia coli cỡ 3 200 gene

Năm 2000, Edward Delong phát hiện ra Archea biển

Tháng 12/ 2002, tập đoàn Genome Sequencing Chuột quốc tế hoàn thành một bản thảo genome chuột và so sánh với genome người có khoảng 3.000 gene chung

- Năm 2005, giải Nobel Y học 2005 được trao cho hai nhà khoa học Australia -

Barry J Marshall và J Robin Warren - do đã khám phá ra vi khuẩn Helicobacter pylori và vai

trò của chúng trong bệnh viêm loét hệ tiêu hoá (chứng viêm dạ dày, loét dạ dày hoặc tá tràng

1 2 3 4

Hình 2.19 1 Frederick Sanger (1918-); 2 Barbara McClintock (1902-1992);

3 Binnig, Gerd Karl (1947- ); 4 Paul C Lauterbur (1929-)

Giải Nobel Y học 2006 dành cho hai nhà khoa học Mỹ Andrew Z Fire và Craig C Mello của Mỹ đã có công khám phá cách vô hiệu hóa ảnh hưởng của các gene đặc biệt

Hình 2.20 Craig C Mello (1960-)(Trái) và Andrew Z Fire (1959-) và cơ chế vô hiệu hóa gen

5.2 Các enzyme thông dụng trong kỹ thuật di truyền

Năm 1962, Werner Arber lần đầu tiên chứng minh rằng có những enzyme đặc biệt hoạt động trong tế bào vi khuẩn, chúng có khả năng phân biệt DNA "của mình" và DNA "lạ" của phage Các enzyme này có khả năng hạn chế sự nhân lên của phage lạ trong tế bào vi khuẩn bằng cách phân hủy chúng một cách đặc hiệu, do đó được gọi là "restriction enzyme" Chữ restrion (hạn chế) có nguồn gốc lịch sử từ đó và được dùng đến nay

Thông thường, khi đề cập đến các enzyme được sử dụng trong kỹ thuật di truyền,

chủ yếu là nói đến các enzym giới hạn (restriction endonuclease, hay gọi tắt là restrictase),

tức các enzyme từ vi khuẩn có khả năng nhận biết và cắt DNA tại những vị trí xác định và

ngoài ra là nhóm hỗn hợp các polymerase, ligase và nuclease

Nhìn chung, có hai kiểu cắt: cắt thẳng và cắt so le

+ Kiểu cắt thẳng tạo ra các đầu bằng (blunt ends): Một số enzyme giới hạn cắt hai mạch

DNA tại cùng một điểm, ví dụ: AluI, SmaI (Bảng 3.2)

+ Kiểu cắt so le tạo ra các đầu dính (cohesive ends): Một số enzyme giới hạn cắt đoạn DNA nhận biết tại vị trí so le trên hai mạch Kết quả là tạo ra các đầu sợi đơn chứa vài base bổ sung có thể dính chập trở lại Các enzyme này được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tái tổ hợp DNA Ví dụ: BamHI, EcoRI, XmaI (Bảng 3.2)

Bảng 2.4 Một số enzyme giới hạn và đoạn nhận biết của chúng (mũi tên chỉ vị trí cắt)

hạn

Đoạn 5 /

3/nhận biết 3 /

5/

Arthrobacter luteus AluI

AGCT TCGA

Bacillus amylolyquefaciens H BamHI

GGATCC CGTAGG

Escherichia coli RY13 EcoRI

GAATTC CTTAAG

Serratia marcescens Sb SmaI

CCCGGG GGGCCC

Xanthomonas malvaccarum XmaI

CCCGGG

GGGCCC

- Các DNA- và RNA-ligase xúc tác phản ứng nối hai đầu của các đoạn DNA hoặc

RNA thường dùng trong tạo dòng

- Các nuclease Đây là nhóm enzyme phân cắt DNA (DNase) và RNA(RNase) không mang tính chuyên biệt cao như các enzyme giới hạn

5.3 DNA tái tổ hợp và các vector

5.3.1 Khái niệm DNA tái tổ hợp

DNA tái tổ hợp là phân tử DNA được tái tạo trong ống nghiệm bằng cách kết hợp DNA từ các nguồn khác nhau theo một qui trình kỹ thuật nhất định Thông thường, một phân

tử DNA tái tổ hợp gồm một DNA của plasmid hoặc phage nguyên vẹn (gọi là vector) có mang một đoạn DNA cần cho nghiên cứu (gọi là DNA ngoại lai)

5.3.2 Khái niệm vector: Vector (thể tải, thể truyền) là một phân tử DNA đóng vai trò

là vật trung gian mang một đoạn DNA cần nhân dòng có khả năng xâm nhập vào tế bào chủ

và mượn bộ máy tế bào chủ để tạo ra nhiều bản sao của vector

Các ứng dụng chủ yếu của vector là:

- Tạo dòng nhằm khuyếch đại số bản sao của một đoạn DNA xác định (nhiều bản sao giống nhau)

- Nghiên cứu sự biểu hiện của một đoạn trình tự của DNA

- Đưa gen vào tế bào hay cơ thể (nhằm biến đổi đặc tính di truyền mong muốn ở sinh vật được truyền gen)

- Sản xuất RNA với số lượng lớn từ DNA được tạo dòng

- Sản xuất protein với số lượng lớn từ DNA được tạo dòng

5.3.3 Các đặc tính của một vector

- Có khả năng xâm nhập vào tế bào chủ và tồn tại được qua nhiều thế hệ

- Có khả năng tự sao chép mạnh và độc lập với sự tái bản của bộ gen tế bào chủ

- Phải có các đặc tính (được mã hóa bởi các gen chọn lọc) cho phép dễ dàng phát hiện tế bào chủ có chứa chúng

Chẳng hạn, nếu vector là plasmid thì tế bào chủ có thể được phát hiện theo kiểu hình của plasmid có mặt trong tế bào chủ, tức đặc tính kháng thuốc giúp vi khuẩn sống được trên môi trường có chất kháng sinh tương ứng

5.3.4 Các loại vector chuyển gen

Có nhiều loại vector được sử dụng trong kỹ thuật di truyền: plasmid, phage M13, cosmid, vector là virus của eukaryotes, YAC (nhiễm sắc thể nhân tạo của nấm men)

* Cosmid là vector được cấu tạo nên từ plasmid có gắn thêm gene cos của phage Gene cos giúp cho DNA của phage từ dạng thẳng nối đầu lại thành dạng vòng Cosmid có khả năng chứa đoạn gene lạ dài đến 45kb hiện được dùng để lập thư viện gene ở ruồi dấm, chuột, người

* Phage M13 là phage thể sợi có DNA mạch đơn dùng làm vector nhằm:

+ Xác định trình tự nucleotide của gene;

+ Sản xuất các mẫu thử (hay mẫu dò);

+ Thực hiện đột biến điểm định hướng

* Phagemid là vector được cấu tạo từ plamid gắn thêm một đoạn DNA của phage M13

Việc lựa chọn loại vector tùy thuộc vào kích thước đoạn DNA cần tạo dòng và mục đích tạo dòng, ở đây chỉ đề cập hai loại vector thông dụng: plasmid và phage

- Các plasmid nói chung có kích thước 2-5kb, nên chỉ chứa rất ít gene chọn lọc và

chỉ có thể nhận 8-9 kb DNA cần tạo dòng

- Các phage là những virus xâm nhiễm và làm tan vi khuẩn chủ Việc sử dụng phage làm vector có nhiều ưu điểm hơn vector plasmid ở chỗ hiệu quả xâm nhiễm mạnh và khả năng sinh sôi nảy nở nhanh; kích thước đoạn DNA mà vector có thể tiếp nhận được là lớn hơn rất nhiều Tuy nhiên, thao tác trên phage thì phức tạp hơn trên plasmid

Trong số các phage được sử dụng làm vector, phần lớn bắt nguồn từ phage lambda (hệ gene chứa 48.502 cặp base, được giải xong năm 1983; nó có hai đầu dính tự nhiên khoảng

12 cặp base, cho phép DNA- đóng vòng sau khi xâm nhập vào tế bào chủ)

5.4 Các phương pháp thành lập phân tử DNA tái tổ hợp

5.4.1 Phương pháp sử dụng các đầu dính

Bất kỳ đoạn DNA nào nếu được cắt bởi cùng một loại enzyme giới hạn (ví dụ EcoRI) tạo các đầu dính thì có thể dính líp lại với nhau và được nối bởi DNA ligase (hình 3.4) Năm 1973, H Boyer và tập thể của S Cohen đã tạo ra được phân tử DNA tái tổ hợp đầu

tiên gồm vector là plasmid nhỏ pSC101 của E coli và DNA “ngoại lai” là một plasmid khác

Chính sự kiện này đặt ra triển vọng to lớn cho kỹ thuật DNA tái tổ hợp sau này

5.4.2 Phương pháp nối trực tiếp hoặc tổng hợp các đầu bổ sung

Đối với các đoạn DNA được tạo ra bằng việc sử lý enzyme giới hạn cắt thẳng, như HindII chẳng hạn, thì việc nối các đoạn DNA đầu bằng được thực hiện theo một trong hai cách sau:

(1) Nối trực tiếp nhờ DNA-ligase của phage T4

(2) Tổng hợp bổ sung các đầu dính vào các đầu 3‟ một số nucleotid, ví dụ: poly (dA) vào đầu 3‟ của đoạn này và poly (dT) vào đầu 3‟ của đoạn kia, nhờ enzyme transferase đầu mút Sau đó các đoạn này được nối lại nhờ xúc tác của DNA-ligase vi khuẩn

5.5 Tạo dòng DNA tái tổ hợp

Mục đích của việc tạo dòng là nhằm thu được một số lượng lớn bản sao của một đoạn DNA xác định

Về nguyên tắc, một quy trình kỹ thuật DNA tái tổ hợp (tạo dòng) gồm các bước cơ bản sau :

Bước 1: Tách DNA và plasmid ra khỏi tế bào, chọn lọc và xử lý DNA thuộc các

nguồn khác nhau, một làm vector và một cần cho tạo dòng

Đối với vector, việc chọn lọc tùy thuộc nhiều yếu tố: kích thước đoạn cần tạo dòng, mục đích tạo dòng Đối với DNA cần tạo dòng, cần chọn sơ khởi các đoạn có kích thước gần nhau và tương ứng với loại vector Sau đó, xử lý cả hai loại DNA trên bởi cùng một loại enzyme giới hạn (ví dụ: EcoRI) để tạo ra các đầu (dính) so le

Bước 2: Kiến tạo phân tử DNA tái tổ hợp trong ống nghiệm

Trộn chung vector và DNA cần tạo dòng đã được xử lý theo một tỷ lệ nhất định với

sự có mặt của ligase Nhờ sự xúc tác của DNA-ligase mà vector tái tổ hợp sẽ được tạo thành; sau đó được tinh sạch qua tách chiết và tủa

Bước 3: Đưa vector tái tổ hợp vào tế bào chủ

Có hai loại tế bào chủ thông dụng nhất là: (1) Tế bào vi khuẩn, thường là E coli; (2)

Tế bào sinh vật nhân chuẩn, ví dụ nấm men S cerevisiae hoặc tế bào động-thực vật nuôi cấy

Tùy loại tế bào chủ mà sử dụng kỹ thuật biến nạp thích hợp

Bước 4: Phát hiện dòng DNA tái tổ hợp đặc hiệu

Để phát hiện dòng cần tìm, người ta có thể sử dụng công cụ là mẫu dò (probe) Mẫu

dò có thể là một kháng thể đặc trưng cho protein được mã hóa bởi gen cần tìm hoặc một đoạn DNA hoặc RNA bổ sung cho gen cần tìm

5.6 Ứng dụng của công nghệ DNA tái tổ hợp

Hình 2.17 Phương pháp chữa bệnh bằng gen

Trong suốt hai thập kỷ qua, công nghệ DNA tái tổ hợp đã mang lại những tiến bộ to lớn cho sinh học Những ứng dụng chủ yếu của nó là:

- Sản xuất các protein, enzyme, vaccine hữu ích; tạo ra các vi khuẩn, nấm men có khả năng tổng hợp các chất có ý nghĩa về mặt kinh tế

- Gây ra những biến đổi kiểu gen ở các cơ thể sinh vật liên quan đến những đặc tính mong muốn Tạo nguồn DNA và RNA cho các nghiên cứu

- Tạo ra khả năng sửa chữa các khuyết tật di truyền ở động vật và người (liệu pháp gen hình 2.17)

- Chèn gene khoẻ vào trong ribonucleic acid (RNA)của Retroviruses;- Cho restrovirus tiếp cận tế bào bị bệnh;

- Thêm gene khoẻ vào deoxyribonucleic acid ( DNA) tế bào bị bệnh;

- Tiêm vào bệnh nhân

Công nghệ DNA tái tổ hợp mở ra một triển vọng to lớn trong tương lai gần để giúp con người khám phá bí ẩn của cơ thể vi sinh vật và con người, trên cơ sở đó có thể nâng cao năng suất vật nuôi, cây trồng và bảo vệ sức khỏe con người

TÓM TẮT CHƯƠNG Thực chất của VSVCN là ứng dụng các quá trình sống của VSV vào sản xuất ở quy

mô công nghiệp

Nghiên cứu các đặc điểm và hoạt động sống cũng như cơ sở sinh hóa, cơ sở di truyền của VSV là nhằm làm nền tảng cho các quá trình tạo chủng giống, nuôi cấy , nhân giống lên men sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn

*Câu hỏi ôn tập

1 Vi sinh vật có những đặc điểm chung nào ?

2 Hãy giải thích tại sao trong thiên nhiên vi sinh vật tăng lên không tương ứng với tốc độ sinh sản vô cùng nhanh chón của nó

3 Vật liệu di truyền của virus ? Mối quan hệ di truyền giữa virus và tế bào vật chủ ?

4 Vật liệu di truyền ở sinh vật nhân sơ khác với sinh vật nhân chuẩn ở những đặc điểm nào ?

5 Thế nào là tiếp hợp, biến nạp và tải nạp ? Tại sao nói các quá trình này tương đương với sinh sản hữu tính ở sinh vật bậc cao ? Ý nghĩa của việc phát hiện ra hiện tượng biến nạp ở vi khuẩn

6 Thế nào là enzyme hạn chế ? Chúng có các vai trò và tính chất nào được coi là

quan trọng đối với kỹ thuật DNA tái tổ hợp ?

7 Bằng hai ví dụ về enzyme cắt giới hạn, hãy chứng tỏ rằng ít nhất có hai phương

pháp thành lập các phân tử DNA tái tổ hợp trong ống nghiệm (in vitro)

8 Thế nào là phân tử DNA tái tổ hợp, vector tách dòng ? Hãy nêu các bước của quy trình tạo dòng và cho sơ đồ minh họa

* Tài liệu đọc thêm

1 Kiều Hữu Ảnh, 1999 Vi sinh vật học công nghiệp, NXBKHKT, Hà Nội

2 Phạm Thành Hổ, 2005 Nhập môn công nghệ sinh học, NXBGD

* Tài liệu tham khảo

1 Nguyễn Quang Hào, Vương Trọng Hào, Biền Văn Minh, 1998 Vi sinh vật học công nghiệp, NXBGD

2 Nguyễn Xuân Thành, Nguyễn Bá Hiên, Hoàng Hải, Vũ Thị Hoan, 2006 Giáo trình vi sinh vật học công nghiệp, NXBGD

3 Phạm Văn Ty, 2006 Công nghệ sinh học tập 5 Công nghệ vi sinh và môi trường, NXBGD

4 Prescot Harley Klein, 2002 Microbiology W C Brown publisher, USA

5 http://vietsciences.net và http://vietsciences.free.fr

* Giải thích thuật ngữ

DNA tái tổ hợp là phân tử DNA được tạo thành từ hai hay nhiều trình tự DNA của

các loài sinh vật khác nhau Trong kỹ thuật di truyền, DNA tái tổ hợp thường là được tạo thành từ việc gắn những đoạn DNA có nguồn gốc khác nhau vào trong vectơ tách dòng

Những vectơ tách dòng mang DNA tái tổ hợp này có thể biểu hiện thành các protein tái tổ hợp trong các sinh vật Thí dụ một số dược phẩm là hormone peptide được tạo ra từ công nghệ DNA tái tổ hợp là insulin, hormone tăng trưởng, và oxytocin Những vaccine cũng có thể được sản phẩm bằng phương thức này Sinh vật chủ được sử dụng phổ biến nhất trong

công nghệ DNA này là Escherichia coli

Enzyme giới hạn (restriction enzyme, RE) là một enzyme endonuclease có vị trí

nhận biết điểm cắt DNA đặc hiệu

Episomes là những plasmid có khả năng gắn xen vào DNA nhiễm sắc thể của sinh

vật chủ Nhờ khả năng này, chúng có thể tồn tại trong một thời gian dài, được sao chép cùng lúc với DNA nhiễm sắc thể khi tế bào phân chia, và trở thành một phần trong bộ máy di truyền của tế bào Thuật ngữ này không còn được dùng cho plasmid, vì giờ đây người ta đã biết trình tự tương đồng (homology) với nhiễm sắc thể trên plasmid, như transposon, biến plasmid thành episome (giúp plasmid gắn xen vào nhiễm sắc thể)

Genome là tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật

được mã hóa trong DNA (ở một số virus có thể là RNA) Bộ gen bao gồm những vùng chứa

gene lẫn nhưng đoạn không phiên mã Thuật ngữ genome được Hans Winkler giới thiệu lần

đầu tiên

Intron là những đọan DNA bên trong một gene nhưng không tham gia vào việc mã hoá protein Những vùng còn lại của gene được gọi là exon Các intron chủ yếu có mặt trong

các tế bào eukaryote

Plasmids (thường) là các phân tử DNA mạch đôi dạng vòng nằm ngoài DNA nhiễm

sắc thể Chúng thường hiện diện trong vi khuẩn, đôi khi cũng có ở sinh vật có nhân thật

(eukaryote) (ví dụ như vòng 2 micrometre ở Saccharomyces cerevisiae) Chúng có kích thước

khoảng từ 1 đến hơn 400 kilobase pairs (kbp) Chúng có thể hiện diện chỉ một bản sao, đối với plasmid lớn, cho tới vài trăm bản sao trong cùng một tế bào

Véctơ tách dòng (vector cloning) là một phân tử DNA có kích thước nhỏ cho phép

cài gắn một đoạn DNA ngoại lai vào nhằm mục đích nhân đoạn DNA ngoại lai lên với số lượng lớn

Chương 3: SỰ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

I PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO TÍNH CHẤT THƯƠNG MẠI

Theo Thomas D Brock (1995), các sản phẩm vi sinh vật có ý nghĩa công nghiệp được phân thành 5 loại chính:

- Bản thân các tế bào vi sinh vật (sinh khối) là các sản phẩm mong muốn

- Các enzyme do vi sinh vật tạo nên: amylase, protease, lipase

- Các dược phẩm: các chất kháng sinh và các alcaloit

- Các hoá chất đặc biệt và các chất điều vị thực phẩm: bột ngọt nhân tạo aspartam là một dipeptide giữa aspartic và phenylalanin; acid glutamic, lysine và triptophan, một số vitamin

- Các hoá chất thông dụng được sản xuất bằng con đường vi sinh vật bao gồm ethanol, acid acetic, acid lactic và glycerine

1 Bản thân các tế bào vi sinh vật (sinh khối) là các sản phẩm mong muốn

Đó là các trường hợp của nấm men dùng cho mục đích dinh dưỡng và làm nở bột mì, trường hợp các nấm ăn dùng làm thức ăn Các vi khuẩn và vi tảo cũng được nuôi cho mục đích dinh dưỡng, song cho đến nay chưa có ý nghĩa lớn về mặt thương mại Ở đây cần phân biệt hai trường hợp:

Thuật ngữ ''protein đơn bào'' (SCP) thường được dùng để chỉ các tế bào các vi sinh vật như là các sản phẩm công nghiệp với lý do là hàm lượng protein trong chúng cao và được quan tâm về mặt thương mại Còn ''giống khởi động'' (starter culture) là các sản phẩm công nghiệp trong đó bản thân các tế bào vi sinh vật được dùng làm nguyên liệu cấy Chẳng hạn, vi

khuẩn thuộc chi Rhizobium và Bradyrhizobium được dùng để cấy lên các hạt đậu nhằm kích

thích sự tạo thành các nốt sần cố định nitrogen, hoặc các giống vi khuẩn lactic được bán ra dưới dạng các nguyên liệu cấy (inoculants) để sản xuất các sản phẩm sữa lên men và xúc xích

2 Các enzyme do vi sinh vật tạo nên

Nhiều enzyme quan trọng có ý nghĩa thương mại đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp nhờ vi sinh vật, bao gồm các enzyme phân giải tinh bột (các amylase), các enzyme phân giải protein- protease, các enzyme phân giải chất béo (các lipase)…

Một enzyme quan trọng về mặt công nghiệp là gluco-isomerase được sử dụng với số lượng lớn để sản xuất fructose có độ ngọt cao hơn glucose Một enzyme vi sinh vật quan trọng khác là penicillin -acilase được sử dụng trong công nghệp sản xuất các penicillin bán tổng hợp

3 Các dược phẩm

Các chất kháng sinh và các alcaloid nằn trong nhóm các sản phẩm bậc 2 Đó là các hợp chất không được tạo thành trong pha sinh trưởng đâu tiên mà vào lúc sinh trưởng đã bước vào pha cân bằng Việc hiểu biết bản chất của sự trao đổi chất bậc hai có tầm quan trọng trong trong việc phát triển các quá trình sản xuất mới

Công ty Công nghiệp hoá chất Takeda (Nhật Bản) sản xuất và cung cấp loại thuốc kháng sinh validacina dùng để phòng trừ nhiều loại bệnh hại cây trồng do nấm gây ra Validacina đặc biệt có hiệu lực với bệnh khô vằn lúa, trực tiếp bảo vệ, làm tăng năng suất và chất lượng lúa Thuốc không gây bất cứ hiện tượng ngộ độc nào cho cây trồng, rất an toàn cho người, vật nuôi, cá và những động vật có ích khác; không tồn dư trong đất và nông sản sau khi thu hoạch Validacina có thể hỗn hợp với hầu hết các loại thuốc khác để phun Thuốc validacina

có các dạng thương phẩm: Validacin 3L, Validacin 5L, Validacin 5SP

Hình 3.1 Công thức hóa học validamycin (trái) và chế phẩm thuốc trừ nấm

Catalase Micrococcus, Aspergillus Phòng oxy hóa thực phẩm, sản xuất phomat

Cellulase Aspergillus,Trichoderma Thủy phân gỗ, trợ giúp tiêu hóa

Glucooxydase Aspergillus Loại glucose hoặc oxy trong thực phẩm, xác định

glucose lâm sàng

Hialuronidase Nhiều loại vi khuẩn Làm sạch vết thương, chống dính trong phẫu

thuật Pectinase Aspergillus, Sclerotinia Làm trong vang, dấm, bia, dịch quả

Penicillinase Aspergillus Loại penicillin trong nghiên cứu

Protease Aspergillus, Bacillus,

Streptomyces Làm trong sake, chế biến thịt, loại gelatin

Streptokinase Streptococcus Làm lành các vết thương vết bỏng

4 Các hóa chất đặc biệt và các chất điều vị thực phẩm

Chất điều vị thực phẩm: bột ngọt nhân tạo aspartam là một dipeptide giữa aspartic acid và phenylalanin, cả hai amino acid này đều được sản xuất bằng con đường lên men vi sinh vật các amino acids khác cũng được sản xuất bằng con đường này là: acid glutamic,